王 璐 謝相軍 趙 琛

(新疆煤田地質(zhì)局一五六煤田地質(zhì)勘探隊(duì)，新疆 830091)

煤作為一種彈塑性巖石，硬度較低，容易被壓碎，煤層破碎時(shí)會產(chǎn)生煤粉。在煤層氣井的壓裂和排采過程中，煤粉的產(chǎn)出是不可避免的，煤層及壓裂形成的支撐裂縫主要由于煤粉容易出現(xiàn)不同程度的堵塞，而堵塞將導(dǎo)致煤層滲透率降低，產(chǎn)液量下降，壓降范圍縮小，井底壓力流失，從而影響煤層氣井的排采效果；同時(shí)產(chǎn)出的煤粉如果不能及時(shí)排出井筒，長期附著在凡爾球上會引起泵漏失，更嚴(yán)重的引起卡泵，影響排采的連續(xù)性。

為了減少煤粉對排采的影響，必須經(jīng)常性的對煤層氣排采井進(jìn)行洗井?，F(xiàn)場常用的洗井工藝主要為注水洗井工藝，主要是通過給油套環(huán)空內(nèi)補(bǔ)給水，提高排出水量，加快桿管環(huán)空的液體流速，加快煤粉排出井筒，從而保障排采的連續(xù)性。

1 煤粉的成因

由于煤層的特性，分析認(rèn)為在煤層氣井的生產(chǎn)開發(fā)過程中，煤粉產(chǎn)生的原因可以分為以下兩類。

(1)壓裂產(chǎn)生煤粉

壓裂時(shí)煤層破裂形成裂縫的同時(shí)產(chǎn)生煤粉；高排量下壓裂液攜帶的支撐劑對煤層裂縫壁面沖擊，打磨產(chǎn)生煤粉。

(2)排采產(chǎn)生煤粉

排采制度的不合理，造成煤層激動(dòng)，產(chǎn)生煤粉。排采過程中隨著地層中的水不斷采出，儲層壓力逐漸下降，上覆壓力更多的承擔(dān)在煤層的骨架上，造成煤層變形產(chǎn)生煤粉。隨著地層中水的產(chǎn)出，水的流動(dòng)會造成水流通道壁面的煤粉脫落。

2 注水洗井的工藝原理

注水洗井工藝工作原理為油套環(huán)空注入排量Ql的水,增加桿管環(huán)空流體流速Vl，使得Vl大于煤粉沉降速度Vs，將煤粉顆粒排出泵筒。

3 洗井的工藝設(shè)備

根據(jù)現(xiàn)場工作經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行煤層氣井洗井作業(yè)時(shí)，主要需要以下設(shè)備(表1)。

表1 洗井設(shè)備一覽表

推薦的主要設(shè)備參數(shù)見表2。

表2 洗井設(shè)備一覽表

4 洗井的工藝適應(yīng)性分析

4.1 固相煤粉顆粒排出條件研究

(1) 公式法

粒徑不同、形態(tài)復(fù)雜的煤粉會伴隨著煤層氣和煤層水進(jìn)入排采系統(tǒng)內(nèi)，由于現(xiàn)場常用的泵結(jié)構(gòu)中，篩管具有阻擋和過濾作用，因此，粒徑較大的煤粉顆粒不容易進(jìn)入泵筒內(nèi)，它們會由于重力的作用下沉，沉積在井底，而大量粒徑較小的煤粉顆粒會進(jìn)入泵筒內(nèi)。若在排采過程中，由于排水強(qiáng)度不夠，無法將這些煤粉通過排水帶出泵筒運(yùn)移到地面，則長期附著在凡爾球上會引起泵漏失，更嚴(yán)重的引起卡泵等井下故障。因此，為了分析煤粉在井筒內(nèi)的沉降速度，從而確定保證不同粒徑煤粉上升的最低液體流速是十分必要的。通過查閱文獻(xiàn)，得到群體煤粉顆粒沉降末速度的計(jì)算公式：

式中：ρc為煤粒密度，kg/m3；ρm為液體密度，kg/m3；dc為煤粉粒徑，m；μm為液體粘度，MPa;Sc為體積濃度含煤粉量，%。

同時(shí)，查閱文獻(xiàn)得知，當(dāng)液體流速大于沉降末速度的2.9倍以上，才能保證煤粉被舉升至地面。

通過上述公式，帶入某區(qū)塊的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得出煤粉顆粒直徑與保證顆粒上升的最低流動(dòng)速度之間的關(guān)系如表3所示。

表3 根據(jù)公式計(jì)算的顆粒直徑與保證顆粒上升的最低流動(dòng)速度表

(2)實(shí)驗(yàn)法

流動(dòng)井液中煤粉沉降軌跡的隨機(jī)性較大，且環(huán)空井液流場較為復(fù)雜，需要借助實(shí)驗(yàn)手段，利用理論計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析結(jié)合法研究給定煤層產(chǎn)出的煤粉在一定井液環(huán)境下的沉降規(guī)律。

由于現(xiàn)場煤層氣井管式泵使用的篩管縫寬為0.3mm，既進(jìn)入泵筒內(nèi)的煤粉粒徑主要在0.3mm以下，通過實(shí)驗(yàn)方法分析煤粉粒徑在0.3mm與0.25mm時(shí)，井液流速與煤粒沉速之間的關(guān)系，具體如表4所示。

表4 根據(jù)實(shí)驗(yàn)法獲得的顆粒直徑與顆粒上升的最低流動(dòng)速度表

通過表4可知，煤粉粒徑為0.33mm時(shí)，當(dāng)井液流速大于等于27.43m/s，井液速度大于煤粒煤粒沉速，即煤粉可被舉升至地面。

對比計(jì)算法與實(shí)驗(yàn)法所得煤粉排采最低流體流速值可以發(fā)現(xiàn)，二者差值較小；同時(shí)，由于現(xiàn)場煤層氣井管式泵使用的篩管縫寬為0.3mm，既進(jìn)入泵筒內(nèi)的煤粉粒徑主要在0.3mm以下。則可以取徑為0.3mm煤粉，在計(jì)算法與實(shí)驗(yàn)法所得煤粉排采最低流體流速值的平均值作為該區(qū)塊的煤粉排采最低流體流速值：

Vl=(28.3+27.43)/2=27.87 ×10-3m/s

4.2 工藝試驗(yàn)范圍

通過上述分析可以看出，只有當(dāng)井液流速超過保證顆粒上升的最低液流速度才能使得煤粉不發(fā)生沉積。同時(shí)，由于泵的泵徑尺寸不一樣，橫截面積不同，因此在相同的產(chǎn)水量條件下，液體的流速也會不同。因此需計(jì)算不同泵徑尺寸下和不同抽油桿和油管組合參數(shù)尺寸下保證煤粉上升的最低產(chǎn)水量。

(1)不同泵徑尺寸下保證煤粉上升的最低產(chǎn)水量

煤層氣井常用的泵徑有φ28mm、φ38mm、φ44mm、φ57mm、φ70mm，表5主要計(jì)算了不同顆粒直徑在不同泵徑尺寸下煤粉不發(fā)生沉積的最低產(chǎn)水量。

表5 不同泵徑尺寸下保證煤粉上升的最低產(chǎn)水量

通過表中計(jì)算可以看出，煤粉顆粒直徑相同時(shí)，隨著泵徑尺寸的增加，最低日產(chǎn)水量也隨之增大。因此，小泵井的泵更有助于排出煤粉。

(2)不同桿管組合下保證煤粉上升的最低產(chǎn)水量

根據(jù)常用的抽油桿和油管組合參數(shù)尺寸，計(jì)算不同顆粒直徑在不同桿管組合參數(shù)下，煤粉不發(fā)生沉積的最低產(chǎn)水量(表6)。

表6 不同桿管組合下保證煤粉上升的最低產(chǎn)水量

4.3 洗井排量設(shè)計(jì)

在生產(chǎn)中為了方便現(xiàn)場操作，洗井排量均按照以下條件設(shè)計(jì)：

① 煤粉顆粒均按0.3mm進(jìn)行計(jì)算；

② 實(shí)際洗井過程日排出量均不小于5m3，所以洗井排量設(shè)計(jì)受桿管組合影響小，忽略其影響；

③ 排采水量設(shè)計(jì)不大于泵的最高排出水量(最高沖次按5次計(jì)算)的0.8倍；

④ 沖程參數(shù)按該泵徑在區(qū)塊內(nèi)所用的最小沖程計(jì)算(表7)；

表7 不同泵徑不同沖程泵的最高理論排量

⑤ 洗井排量設(shè)計(jì)需考慮煤粉濃度影響，現(xiàn)場將煤粉濃度劃分為六個(gè)等級(圖1)，煤粉等級在4～6級的井洗井排量在上述條件滿足的情況下約為煤粉等級為1～3級的井的1.5倍；

1→6級圖1 煤粉含量定級標(biāo)準(zhǔn)圖

按照上述設(shè)計(jì)條件，結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，防止注入水量過多而造成產(chǎn)氣影響，不同泵徑的洗井水量參數(shù)設(shè)計(jì)見表8。

表8 不同泵徑洗井排出水量

5 洗井工作制度

(1)注入排量

洗井作業(yè)實(shí)施前屬地責(zé)任人應(yīng)根據(jù)作業(yè)井的煤粉等級、泵徑參數(shù)來確定排出水量，進(jìn)一步計(jì)算注入水量：

注入排量 = 排出水量-地層日產(chǎn)水量

為了避免操作過程中由于計(jì)量誤差引起的實(shí)際注入水量大于理論注入水量，造成煤層氣井液面回升產(chǎn)量下掉，現(xiàn)場操作時(shí)實(shí)際注入水量應(yīng)略小于理論注入水量(以5%為佳)。

(2)注入總量

根據(jù)現(xiàn)場操作經(jīng)驗(yàn)，洗井注入總量應(yīng)根據(jù)該井初始幾次洗井時(shí)的參數(shù)變化來確定，當(dāng)洗井過程中出現(xiàn)以下現(xiàn)象時(shí)已注入水的總量應(yīng)為該井注入總量：

① 煤粉由高等級逐漸降低至某低等級不變時(shí)；

② 示功圖載荷或者抽油機(jī)運(yùn)行最大電流逐漸降低至某一固定值不變時(shí)；

③ 抽油機(jī)運(yùn)行由抖動(dòng)逐漸變化至恒定平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)；

④ 示功圖顯示由泵漏失轉(zhuǎn)變?yōu)檎２蛔儠r(shí)；

生產(chǎn)管理中，洗井注入總量還應(yīng)考慮洗井水源、經(jīng)濟(jì)性與時(shí)效性，一般情況下洗井注水總量不小于桿管環(huán)空體積的2倍，不大于桿管環(huán)空體積的5倍。

(3)洗井周期

根據(jù)現(xiàn)場操作經(jīng)驗(yàn)，洗井周期應(yīng)根據(jù)該井故障周期、煤粉濃度、日產(chǎn)氣量、日產(chǎn)水量來確定，主要有以下幾種：

① 當(dāng)該井兩年內(nèi)有由于煤粉、煤泥導(dǎo)致的井下故障時(shí)，將該最短故障周期的1/4定為該井的洗井周期；

② 當(dāng)該井無由于煤粉、煤泥導(dǎo)致的井下故障時(shí)，應(yīng)根據(jù)煤粉濃度、日產(chǎn)氣量、日產(chǎn)水量來確定、井下工況、初始的洗井效果來確定洗井周期；煤粉濃度越低、井下工況故障良好、日產(chǎn)氣量越高、日產(chǎn)水量越大洗井周期越長。